电驱动运载工具改装系统及相关联的方法

专利名称：电驱动运载工具改装系统及相关联的方法
技术领域：
本发明包括涉及推进系统(propulsion system)的实施例。本发明包括涉及使用推进系统的方法的实施例。
现有技术讨论某些运载工具(vehicle)使用电牵引马达(motor)来推进运载工具。这些电 牵引马达可连接至称作链环(link)的电气联接结构，其为马达提供功率(power)。这 些链环可以是电气总线系统。一个或多个运载工具上所载有的(on-board)交流发电机 (alternator)可用来向链环提供功率。在一定的运行条件下，例如当运载工具减速或在下 坡道上保持速度时，由电马达产生的反电动势(EMF)大于发动机驱动式交流发电机所提供 的电压。在这种条件下，电牵引马达停止充当马达而变成发电机。作为动力制动(dynamic braking)而已知的该过程是用来减少运载工具的机械制动系统部件的磨损的一种电制动 的形式。在运载工具为机车(locomotive)的情况下，动力制动减少了机车以及还有该火 车(train)的所有轨道车(rail car)的制动磨损。在动力制动期间，一个或多个电阻器 (resistor)将电功率作为热量耗散。在运载工具为卡车(truck)或其它的使用电驱动推进 的中型或重型运载工具时，动力制动可用来减少与各个单独的轮相关联的机械制动系统部 件的磨损。已经开发了混合式(hybrid)推进系统，用来回收否则将在动力制动期间作为热量 而被浪费的能量中的一部分。这些否则将被浪费的能量的回收为再生制动(regenerative braking)。混合式推进系统可使用两种不同的能量来源热机(heat engine)和能量储存 单元。热机可燃烧燃料来产生机械功——内燃机、涡轮发动机、以及柴油发动机是一些实 例。能量储存单元可包括可再充电的电池、超级电容器(ultracapacitor)、或具有高功率密 度的飞轮。通常，混合式推进系统包括联接至交流发电机的所载有的热机，该交流发电机将 发动机的机械输出功率转化成交流(AC)电功率。整流器(rectifier)将交流发电机的AC 输出转化成直流(DC)。整流器的DC输出的一部分可对能量储存单元进行充电，而其余的 DC输出部分驱动电马达，电马达又推进运载工具。在运载工具加速期间，能量储存单元可放电(discharge)以增补发动机-交流发 电机的电功率输出并可在一段时间内提供有所升高的功率水平。在运载工具制动期间，能 量储存单元再充电以用于以再生的方式(regeneratively)捕获在制动期间否则将被浪费 的能量的一部分。重型混合式推进系统可能需要大规模的能量储存装置。由于同时的功率和能量需 求，常规的重型混合式推进系统可能需要许多较小的能量储存单元的并联运行，这些较小 的能量储存单元通常构造成大量串联连接的(series-connected)单电池(cell)的数个并联的串(string)。并联的能量储存单元内的功率分享可能是有问题的。拥有这样一种推进系统可能是合乎需求的，S卩，该推进系统带有与当前可得到的推进系统的那些特性和特征不同的特性和特征。拥有这样一种推进系统可能是合乎需求 的，即，该推进系统执行与当前可得到的那些方法不同的方法。

发明内容
在一个实施例中提供了 一种系统以用于改装(retrofitting)电推进式 (electrically propelled)运载工具。运载工具具有发动机驱动式交流发电机，以及联接 至交流发电机的至少第一牵引马达和第二牵引马达。系统包括能量储存装置，该能量储存 装置能够联接至至少第一牵引马达；以及控制系统，该控制系统可运行，以控制推进功率在 第一牵引马达与第二牵引马达之间的分配。在一个实施例中提供了一种改装运载工具的方法。用于改装的目标运载工具具有 发动机驱动式交流发电机，以及至少两个联接至交流发电机的牵引马达。方法包括使牵引 马达中的至少一个与交流发电机脱离联接(uncouple)，以提供第一脱离联接的牵引马达； 且然后，使第一脱离联接的牵弓I马达联接至能量储存装置。在一个实施例中提供了用于改装发动机推进式运载工具的成套器具(kit)。运载 工具应当具有至少一个联接至发动机的推进轴和至少一个不联接至发动机的非推进轴。成 套器具可包括牵引马达，该牵引马达构造成联接至运载工具的非推进轴；能量储存装置， 该能量储存装置能够联接至牵引马达，以限定混合轴；以及控制系统。一旦被连接，则能量 储存装置可向牵引马达供应能量，并且可接收由牵引马达产生的能量。控制系统可监控来 自运载工具的操作员的推进要求，并且，可控制混合轴和推进轴的推进作用力(propulsive effort)，以使得其组合的推进作用力大致满足该推进要求。
附图简述

图1是包括根据本发明的一实施例的运载工具的示意图。图2是包括根据本发明的另一实施例的运载工具的示意图。图3是包括根据本发明的另一实施例的运载工具的示意图。
具体实施例方式本发明包括涉及用于发动机驱动式运载工具的改装系统或升级成套器具的实施 例。本发明包括涉及使用该系统和/或成套器具的方法的实施例。如本文所用，电压是指直流(DC)电压，除非上下文或文字另有说明。原动机 (prime mover)包括发动机和发电机，例如，柴油发动机/交流发电机组合。在一个实施例中，本发明提供了在混合式推进系统中使用的分布式的 (distributed)能量储存系统、方法和设备。该系统包括多个能量储存装置。能量储存装置 单元中的每个有选择地连接至牵引驱动器(traction drive)的DC链环输入端。原动机向 全体多个牵引驱动器的子集供应电功率，而其余的牵引驱动器通过一个或多个能量储存装 置以电的方式被供以功率。多个能量储存装置至少包括能量型电池(energybattery)、且可 选地包括一个或多个功率型电池(power battery)、超级电容器、或其它能量型电池。合适的能量型电池包括高温电池。在高功率的制动事件(event)阶段期间(在此，牵引驱动器力矩指令与在电动模式中为牵引驱动器运行所需的力矩指令处于相反极性中)，再生制动 能量的一部分可在能量储存单元中被捕获，同时，连接/断开系统使至少一个能量储存单 元与该(多个)第一牵引驱动器脱开联接。连接/断开系统使能量储存装置重新连接至主 DC链环，以允许动力制动栅在需要时以常规方式从所有多个牵引驱动器耗散能量。在长期的高原动功率(motive power)运行阶段期间，当储存于能量储存单元中的 能量被充分耗尽时，功率控制设备可允许在推进驱动器中使用来自原动机的功率，这些推 进驱动器起初从该多个能量储存单元而被供以功率。分布式的能量储存系统在一个实施例中降低了投入并联的大规模的高压能量储 存单元的需求。在多牵引驱动器的应用中，包括功率控制设备的推进系统可降低或消除对 用于联接能量储存单元和DC链环的额外的高功率DC/DC转换器的需求。另外，使用所选 择的能量储存标称电压的该混合式概念在低速高扭矩的运行和高速的、中等的(moderate) 扭矩的运行中均允许高效的混合式运行。高功率的再生制动能量可在能量储存系统中被捕获，直到达到确定的充电极限或 电压极限。然后，能量可在常规的动力制动栅中作为废热而耗散。同样，在长期的高原动功 率下的运行的阶段期间，当能量储存单元被耗尽时，功率控制设备指引原动机使用来自所 载有的燃料的能量以用于供应功率。在一个实施例中提供了用于运载工具的推进系统。该系统可包括第一牵引驱动系 统和第二牵引驱动系统。第一牵引驱动系统可包括热机和第一驱动马达。热机向第一驱动 马达供应能量以推进运载工具。第二牵引驱动系统可包括第二驱动马达和第一能量储存装 置。第二驱动马达既可以向第一能量储存装置供应能量，又可以从第一能量储存装置接收 能量° 运载工具可包括一个或多个额外的牵弓I驱动系统。在一个实施例中，运载工具具 有第三牵引驱动系统。第三牵引驱动系统可包括第三驱动马达和第二能量储存装置。第三 驱动马达既可向第二能量储存装置供应能量，又可从第二能量储存装置接收能量。第三驱 动马达可在动力制动过程期间通过链环装置向第二能量储存装置供应作为电的能量。第一 牵引驱动系统还包括动力制动电阻器。合适的动力制动电阻器在市场上可买到。
第二牵引驱动系统或第三牵引驱动系统中的至少一个可以可逆地(reversibly) 与第一牵引驱动系统脱开电联接。在一个实施例中，第一驱动马达电联接至仅该第一牵引 驱动系统。在另一实施例中，第一驱动马达电联接至第一牵引驱动系统并电联接至一个或 多个其它的牵引驱动系统。这样，在高速、中等扭矩的运行期间可使更高电压的系统向两个 驱动马达提供功率，而不是在较低的速度及潜在地高的扭矩下使更低电压的系统向单个驱 动马达提供功率。该实施例可允许第一和第二能量储存装置具有不相同的标称电压额定值 (rating)，例如600伏和1200伏。尽管不相同的最终用途应用相应地具有不同的电压，电压 需求，电流需求，寿命周期需求，以及用于支持上述者的电路系统和设施，但是在一个实施 例中，示例性的更高电压的系统可具有直到为约4000伏的最大值的可变电压。在备选的非 限制性的实施例中，更高电压的系统可适合于如下范围中的电压的使用从约200伏至约 300伏、从约300伏至约400伏、从约400伏至约500伏、从约500伏至约600伏、从约600 伏至约700伏、从约700伏至约800伏、从约800伏至约900伏、从约900伏至约1000伏、从约1000伏至约1100伏、从约1100伏至约1200伏、从约1200伏至约1300伏、从约1300伏 至约1500伏、从约1500伏至约2000伏、从约2000伏至约2500伏、从约3000伏至约3500 伏、从约3500伏至约3750伏、从约3750伏至约4000伏、或大于约4000伏。以类似的方式，依赖于具体的能量储存装置及上述因素中的某些因素，更低电压 的系统可处于从约100伏一直到约3000伏的范围中。在备选的实施例中，该更低电压的系 统可适合于如下范围中的电压的使用从约100伏至约200伏、从约200伏至约300伏、从 约300伏至约400伏、从约400伏至约500伏、从约500伏至约600伏、从约600伏至约700 伏、从约700伏至约800伏、从约800伏至约900伏、从约900伏至约1000伏、从约1000伏 至约1100伏、从约1100伏至约1200伏、从约1200伏至约2000伏、从约2000伏至约2500 伏、从约2500伏至约3000伏、或大于约3000伏。值得注意的是可由集成电气系统的单个 部件的更换的分级进行(cascade)所导致的困难，其使得零件的简单的换出(swap-out)成 为问题或者完全不可能。例如，将带有1200伏额定值的能量储存装置插入到设计用于处理 600伏的系统中将不会是可能的。源自不适当的布线，绝缘，热量管理，电流和电压传感器， 马达和控制器——这种系统的部件相互间需作关于适用性以及利用不同部件来进行的可 能或合理的替换的考虑。电气配置(electrical configuration)的选择使得，系统能够通过使用第二牵引 驱动系统而在相对地较低的速度及潜在地高的扭矩下推进运载工具，并且该系统能够通过 至少使用第一牵引驱动系统而在相对地较高的速度及中等的扭矩下推进运载工具。特别 地，在较高速度下或在重负载的条件(重牵引、高速或陡坡)下，可从能量储存装置中抽取 能量，以便连同由第一牵引驱动系统供应的原动功率一起为第二牵引驱动系统提供功率。第一牵引驱动系统在第一电压下运行，该第一电压是不同于第二电压(第二牵引 系统的至少一部分在该第二电压下运行)的电压。在一个实施例中，第一电压直到为约 1400伏的最大值，而第二电压在从约300伏至约600伏的范围中。可依赖于具体的能量储 存装置的额定值选择该第二电压。在另一实施例中，该牵引驱动系统在第一电压下运行，该 第一电压是不同于第三电压(第三牵引系统的至少一部分在该第三电压下运行)的电压， 第一电压直到为约1400伏的最大值，而第三电压在从约600伏至约1200伏的范围中。可 基于具体的能量储存装置的额定值选择该第三电压。在一个实施例中，第一能量储存装置具有限定了第一部分和第二部分的多个部 件。第一部分和第二部分各产生特定的电压，并且并联地电连接。第一部分和第二部分共 同地产生了第二电压，该第二电压是比交流发电机提供的第一电压低的电压。在另一实施 例中，第一部分和第二部分串联地电连接(串联连接)，并且第一部分和第二部分中的每个 产生第二电压，该第二电压与第一电压大致相同。当然，额外的电子开关装置可有选择地改 变第一和第二部分相对于彼此的配置，使得串联/并联连接可逆。在一个实施例中，第一能量储存装置具有多个部件，其限定了第一部分和第二部 分。第一部分和第二部分可从第一运行模式(在该第一运行模式中，第一部分和第二部分 并联地电连接)和第二运行模式(在该第二运行模式中，第一部分和第二部分串联地电连 接)被切换。推进系统可包括温度控制装置。温度控制装置包括至少一个温度传感器、至少一 个温度控制装置、以及解冻(thaw)控制器，该解冻控制器与传感器相通并控制热源以改变或维持公共壳体(commonhousing)内的环境(environment)。第一部分和第二部分可设置在公共壳体内。公共壳体可与温度控制装置在操作上 相关联(operationally associate)。公共壳体的使用可影响绝缘和加热及冷却系统、传感 器和控制器。另外，存在有越过能量储存系统的更均勻的热量分布。在公共壳体内，能量储 存装置部件(部分)可串联地、并联地、或者以从串联至并联/从并联至串联可切换的方式 而连接。
第一部分和第二部分可各自设置在相应的第一壳体和第二壳体中。并且，第一壳 体和第二壳体中的每个可与温度控制装置在操作上相关联。此处，温度控制装置可包括在 第一壳体和第二壳体中的每一个中至少一个温度传感器；在第一壳体和第二壳体中的每一 个中至少一个热源；以及解冻控制器，该解冻控制器与各传感器相通并控制各热源以改变 或维持该第一壳体和第二壳体中的至少相应的一个壳体内的环境。热源向第一能量储存装 置提供热能(thermal energy) 0解冻控制器可启动(initiate)解冻过程以用于控制该热 源以便使局部的环境温度提高直到运行温度范围并处于运行温度范围内。进一步地，解冻 控制器可启动冷却过程以用于控制热源以使局部的环境温度降低直到运行温度范围并处 于运行温度范围内。合适的运行温度可大于约150摄氏度。在一个实施例中，运行温度范围处于以下 范围中从约150摄氏度至约200摄氏度、从约200摄氏度至约250摄氏度、从约250摄氏 度至约300摄氏度、从约300摄氏度至约350摄氏度、从约350摄氏度至约400摄氏度，或 者大于约400摄氏度。在一个实施例中，运行温度范围处于从约260摄氏度至约350摄氏 度的范围中。如以上所说明，第一能量储存装置可包括多个电池。并且，电池中的每个可包括 多个单电池。合适的能量储存装置(作为能量型电池)可包括金属卤化物电池(metal halide battery)或熔盐电池、基于锂技术的电池、硫化钠(sodium sulfur)电池等等。 在使用功率型电池的情况下，合适的能量储存装置可包括锂离子基电池(lithium ion basedbattery)、锌基体电池、镍金属氢化物电池、铝电池、铅酸电池、或基于电容器的装置 中的一个或多个。推进系统可包括辅助电气系统(auxiliary electrical system)，该辅助电气系 统电连接至第一能量储存装置。辅助电气系统可通过(尤其在从牵引驱动系统中抽取再生 能量时的阶段期间)向原始辅助电气系统(prime auxiliary electrical system)供应电 能而补充(supplement)该原始辅助电气系统。辅助电气系统可通过向某些子部件供应电 能(而原始辅助电气系统向其它子部件供应电能)而对该原始辅助电气系统进行补充。一 个实例为，辅助电气系统可运行关键的辅助部件，而原始辅助电气系统不起作用或停机以 消除排放物或减少石油燃料的消耗。在另一实施例中，用于运载工具的推进系统可包括第一牵引驱动系统。第一牵引 驱动系统可包括热机和第一驱动马达。热机向第一驱动马达供应能量以推进运载工具。第 二牵引驱动系统可以是用于向第一能量储存装置供应能量并用于从第一能量储存装置接 收能量的一个推进器件。可选地，用于推进的器件与第一牵引驱动系统脱开电联接，并且，通过在制动期间 以再生的方式捕获能量并将以再生的方式被捕获的能量转化成电以向第一能量储存装置供应电能而机械地间接地联接至第一牵引驱动系统。提供了一种方法，该方法包括通过从能量储存装置以第一、较低的电压供电而在 第一、较慢的速度及潜在地高的扭矩下推进电驱动式运载工具；并且，通过从发动机驱动式 交流发电机以第二、较高的电压供电而在第二、较快的速度及中等的扭矩下推进该运载工 具。方法包括通过在制动运行模式期间将机械能进行转化、或者利用第二或第三牵引驱动 器或带有相关联的能量储存系统的牵引驱动器中的至少一个的被选择的控制而将能量储 存装置充电。来自发动机驱动式交流发电机的输出电压可基于运载工具速度、牵引扭矩和载荷 而被控制。依赖于能量储存装置和载荷，在第一、较慢的速度及潜在地高的扭矩下推进电驱 动式运载工具可单独地使用第二电马达来完成，即，电动式运载工具模式(EV)，或者，以与 至第一电马达的发动机驱动式交流发电机相组合地使用第二电马达的方式来完成，即，混 合电动式运载工具模式(HEV)。值得注意的是，不相同的电压可受到不同的最终用途的影 响。客车(passenger car)和轻型卡车可利用约200伏至约400伏的电压；中型卡车、货车、 以及公共汽车可利用约500至约650伏的电压；而机车可使用直到约1400伏的电压。因为 电压的使用可基于运行条件和参数而被控制和改变，所以，对电压为何可能在使用期间受 到影响的某些理由进行讨论是有益的。显示本发明的方面的某些实施例的具体和非限制性的实例参照附图而提供。图1 显示了混合式机车100的示意图，其示出了通过交流发电机114联接至柴油发动机112的、 标准四个至六个中的第一牵引驱动系统110。第一二极管(diode) 116内联(inline)于交 流发电机与第一牵引驱动系统之间。第一牵引驱动系统包括DC/AC变换器118，和AC马达 120。动力制动电阻器122和相应的控制器(未示出)包括在该第一牵引驱动系统中。混合式机车包括第二牵引驱动系统130。第二牵引驱动系统包括第一能量储存装 置132、DC/AC变换器134和电驱动马达136。电气控制装置138可在需要时包括成对的方 向二极管(directional diode)，开关和控制器。在该实施例中，第二牵引驱动系统与第一 牵引驱动系统脱开电联接。在一个实施例中，混合式机车可以可选地包括一个或多个额外的牵引驱动系统。 在图1中，仅一个额外的牵引驱动系统被示出且被称作第三牵引驱动系统140。第三牵引 驱动系统包括第二能量储存装置142、DC/AC变换器144和电驱动马达146。电气控制装置 148在需要时包括成对的方向二极管，开关和控制器。在该实施例中，第三牵引驱动系统与 第一牵引驱动系统并与第二牵引驱动系统脱开电联接。辅助电气系统154包括电气部件 156，该电气部件156通过AC/AC转换器158电联接至交流发电机。在运行期间，第一能量储存装置(以及所存在的任何额外的能量储存装置)在再 生制动事件期间接收电能并由此再充电。额外的运行模式允许相应的能量储存装置在没有 再生制动事件的情况下、也就是、通过向第二和第三牵引驱动器(混合式的)施加这样的扭 矩指令而被充电——该扭矩指令极性相反于提供给牵引驱动器(其通过交流发电机114而 自柴油发动机112被提供功率)的扭矩指令。在该实施例中，第二和第三牵引驱动系统与 原动机柴油发动机/交流发电机脱开电联接。第一牵引驱动系统通过轮和运载工具的轨道 /道路而机械地与第二和第三牵引驱动系统相通。参照图2，混合式机车200的示意图显示了通过交流发电机214联接至柴油发动机212的第一牵引驱动系统210。第一二极管216内联于交流发电机与第一牵引驱动系统之 间。第一牵引驱动系统包括DC/AC变换器218和AC马达220。动力制动电阻器222和相应 的控制器(未示出)包括在该第一牵引驱动系统中。混合式机车包括第二牵引驱动系统230。包括中型和重型的混合式的公路卡 车和越野卡车(on and off-Highway truck)及固定式驱动应用(stationary drive application)等的备选的推进系统同样可以包括第二牵引驱动系统230。第二牵引驱动系 统包括第一能量储存装置232、DC/AC变换器234，和电驱动马达236。电气控制装置238在 需要时包括成对的方向二极管，开关和控制器。在该实施例中，第一能量储存装置232包括 多个共同封装的(commonly housed)电池232a，232b，这些共同封装的电池232a，232b在超 过约150摄氏度的温度下运行。这些共同封装的电池232a和232b可共享(share)绝缘和 用于(在使用期间)进行冷却或用于解冻/起动运行的温度控制系统。所显示的是四终端 系统(其它实施例可有所不同)，该四终端系统通过感测电池部件的各部分中的电压而允 许故障检测。显示在附图中的混合式机车包括一个或多个额外的牵引驱动系统。可选的额外的 牵引驱动系统被示出且被称作第三牵引驱动系统240。第三牵引驱动系统包括第二能量储 存装置242、DC/AC变换器244，以及电驱动马达246。电气控制装置248在需要时包括成对 的方向二极管，开关和控制器。电气控制装置250可逆地将第二牵引驱动系统和第三牵引驱动系统电联接至第 一牵引驱动系统。第一辅助电气系统254包括电气部件256，该电气部件256通过AC/AC 转换器258电联接至交流发电机。可选的第二辅助电气系统260包括电气部件262，该电 气部件262通过DC/AC转换器264电联接至交流发电机。备选地或额外地，第二辅助电气 系统可联接至交流发电机和/或主电气总线。方向二极管、硅可控整流器(SCR)、晶闸管 (thyristor)、变阻器(varistor)等等可在需要处被包括。在所显示的实施例中，二极管类 型的装置被插入在通向第二辅助电气系统的线路上。在运行期间，第一能量储存装置(以及所存在的任何额外的能量储存装置)可在 再生制动事件期间，以及从由交流发电机供应的电能中，接收电能并由此再充电。在该实施 例中，第二和第三牵引驱动系统与原动机柴油发动机/交流发电机脱开电联接。进一步地， 通过再生制动而产生并储存在一个或多个能量储存装置中的电可用来向该可选的次级辅 助系统提供功率。合适的用途包括即便是在原动机停机或者交流发电机的输出容量全部地 为了原动力而被消耗时也可方便地具有的那些用途。即便是当原动机不提供能量时，用于 运行机械制动系统的空气压缩机或用于冷却电池的风扇(因为能量储存装置可能为高温 电池)所用的电功率可能是合乎需要的。参照图3，混合式运载工具300的示意图显示了通过交流发电机314联接至柴油 发动机312的第一牵引驱动系统310。第一二极管316内联于交流发电机与第一牵引驱动 系统之间。第一牵引驱动系统包括DC/AC变换器318和AC马达320。动力制动电阻器322 和相应的控制器(未示出)包括在第一牵引驱动系统中。混合式机车包括第二牵引驱动系统330。备选的推进系统(包括中型和重型的混 合式的公路卡车和越野卡车及固定式驱动应用)同样可以包括第二牵引驱动系统330。第 二牵引驱动系统包括第一能量储存装置332、DC/AC变换器334和电驱动马达336。电气控
12制装置338在需要时包括成对的方向二极管，开关和控制器。在该实施例中，第一能量储存 装置332包括多个共同封装的电池332a，332b，这些共同封装的电池332a，332b在超过约 150摄氏度的温度下运行。这些共同封装的电池332a和332b可共享绝缘和用于(在使用 期间)进行冷却或者用于解冻/起动运行的温度控制系统。进一步地，电池332a和332b 可联接至允许马达角点(motor corner point)上的低电压使用的串联/并联开关(未示 出)，从而允许了相对地更大扭矩和更低功率的用途并潜在地延长了电池寿命。显示在附图中的混合式机车包括一个或多个额外的牵引驱动系统。显示了可选的 额外的牵引驱动系统，且其被称作第三牵引驱动系统340。第三牵引驱动系统包括第二能量 储存装置342、DC/AC变换器344和电驱动马达346。电气控制装置348在需要时包括成对 的方向二极管，开关和控制器。第一电气控制装置350a可逆地将第二牵引驱动系统330电联接至第一牵引驱动 系统310的DC链环，其电联接至动力制动电阻器322并电联接至牵引变换器318。第二电 气控制装置350b可逆地将第二牵引驱动系统340电联接至第一牵引驱动系统310的DC链 环，其电联接至动力制动电阻器322并电联接至牵引变换器318。第一牵引驱动系统310的 动力制动电阻器322可通过相应的控制装置350a，350b与第二牵引驱动系统和第三牵引驱 动系统中的至少一个共同被使用。 在使用期间，再生制动可对第一和/或第二能量储存装置充电。完全充电之后，相 应的电驱动马达仍可被使得可用于动力制动作用力，并且从这种作用力中产生的电能可被 转化成热量并被耗散。通过降低或消除对能量储存装置与多个牵引驱动器之间的昂贵并且潜在的不可 靠的DC/DC转换器的需求，本发明的实施例可提供经济上合乎需要的运载工具。没有庞大 且沉重的感应器和DC/DC转换器，总的运载工具重量可得以降低。在能量储存装置分单元 之间热梯度可被降低，这允许改善并联的电池串之间的电流匹配。全额的原动功率和动力 制动功率(dynamic braking power)在混合模式中可为可用的。在某些运行模式中，当来 自发动机/交流发电机的功率与来自能量储存装置的能量相组合时，比全额的更大的原动 功率在混合模式中可为可用的。并且，在某些实施例中，通过开关选项的选择可获得完全非 混合式的(full non-hybrid)配置。如上文所公开的，使用第二和/或第三(混合式)牵引驱动器，可获得在低速及相 对地高的扭矩下的运载工具运行。进一步地，通过在相对更恰当的电压水平下运行，该混合 模式中的推进系统的运行可改善马达和变换器的效率(例如，降低开关损耗)。支持混合运 行模式的另一些其它理由包括提供系统功率提升，在该系统功率提升期间，在短的时间段 中，可为了改进的性能而牺牲一些效率。本发明的一个实施例包括控制方法，在该控制方法中，连接至相应的能量储 存装置的牵引马达驱动器可首先地在低功率下被使用，直到最适宜的功率性能(power capability)。随后，随着时间、速度、功率要求等等增大，联接或连接至交流发电机的其它 牵引马达驱动器被使用。类似地，通过基于性能限制部件(例如，牵引驱动器、牵引马达、能 量储存装置)首先将牵引力矩分配至连接至能量储存装置的牵引马达驱动器，则在制动期 间能量储存装置可首先被充电。并且，当向系统提出额外的要求时，联接或连接至动力栅电 阻器的牵引马达驱动器被控制以用于产生扭矩并推进运载工具或将运载工具制动。由此，
13能量储存装置优选地充电/放电以针对给定的负荷循环而正面地影响燃料效率或排放。例 如，在4400马力(HP)的机车上(该机车具有能够供应2000HP的能量储存系统)，当要求 小于2000HP时，仅使用与能量储存装置联接的驱动器。但是，当功率要求超过2000HP变为 3000HP时，则所要求的3000HP中的2000HP可自能量储存装置而被供应，而1000HP的差值 可自原动机而被供应_为了用于满足要求的3000HP的总额。可用的功率的量可基于多种 因素而被调节和/或控制。这些因素可包括(例如)装置的荷电状态(state of charge), 牵引驱动器的性能、能量储存系统的效率、原动机的性能、电子装置(例如，变换器和功率 开关(power switch))的容量、等等。在一个实施例中提供了系统以用于改装电推进式运载工具。运载工具可具有发动 机驱动式交流发电机和联接至交流发电机的至少第一牵引马达，以及第二牵引马达。合适 的电推进式运载工具可包括机车，并且柴油发动机可被联接至交流发电机。该系统可包括能量储存装置和联接至能量储存装置的控制系统。能量储存装置可 被联接至至少该第二牵引马达。控制系统可控制在第一牵引马达和第二牵引马达之间的推 进功率(propulsive power)的分配。在某些升级或改装成套器具和系统中，能量储存装置 可以与原始样品运载工具(vehicle as received)的电气系统的要求，部件，以及特性无关 的方式被选择。也就是说，发动机驱动式交流发电机可供应为(例如)约100伏的电压，但 是，能量储存装置可在(例如)600伏下运行。并且，成套器具可被安装到运载工具上而不 必对现有运载工具电气系统进行重新设计或改造，因为两个电气系统不需要被电联接到一 起。—方面，第一牵引马达和第二牵引马达是多个牵引马达中的一部分。合适的能量 储存装置可包括上文所公开的那些。控制系统可对运载工具进行控制，从而使得，在相对地 较低的速度下，在相对地较高的扭矩下，或者在相对地较高的扭矩及较低的速度两者下，第 一牵引马达单独地被使用。备选地，第一牵引马达可与第二牵引马达组合地被使用。进一 步地，通过使用第二牵引马达，更大程度地依赖由交流发电机/发动机供应的能量，控制系 统可在相对地较高的速度和中等的扭矩下对运载工具进行控制。在一个实施例中，控制系统还可运行以启动制动事件，其要求一定量的需求制 动功率(required braking power)。第一可用制动功率可基于由下列者中的至少一个 所确定的部件限制因素第一牵引马达的功率容量(power capacity)、能量储存装置的 电气吸收(electricaluptake)容量、电子变换器的电气额定容量(electrical rating capacity)、或功率开关的电气额定容量。第一可用制动功率被与需求制动功率进行比较。 需求制动功率可首先利用第一可用制动功率来满足。如果第一可用制动功率不足以满足 需求制动功率，则可利用第二可用制动功率来补充第一可用制动功率。该第二可用制动 功率可至少基于联接至第二牵引马达的动力制动栅电阻器阵列(dynamic braking grid resistorarray)的控制系统可通过在第一、较低的电压下从能量储存装置向第一牵引马达供电而启 动第一牵引马达以便在第一、较慢的速度及高的扭矩下推进运载工具。然后，控制系统可通 过在第二、较高的电压下从发动机驱动式交流发电机向第二牵引马达供电而启动第二牵引 马达以便在第二、较快的速度及中等的扭矩下推进该运载工具。控制系统可对包含第一牵 引马达和能量储存装置的第一牵引驱动系统中的部件故障进行监控。通过执行一次将能量定向成至第一牵引马达并从第一牵引马达至第二能量储存装置，或者将能量定向成至第一 能量储存装置并从第一能量储存装置至第二牵引马达，控制系统可对第一牵引驱动系统的 部件故障指示作响应。使用哪种响应则根据哪个部件发生故障而定。在一个实施例中，提供了成套器具以用于改装发动机推进式运载工具。运载工具 应当具有至少一个联接至发动机的推进轴和至少一个不联接至发动机的非推进轴。该成套 器具应当包括牵引马达，该牵引马达可联接至运载工具的非推进轴或者完全地取代运载工 具的非推进轴。成套器具还应当包括能量储存装置，该能量储存装置可联接至牵引马达以 限定混合轴。一旦被连接，则能量储存装置应当向牵引马达供应能量并且应当接收由牵引 马达产生的能量。控制系统可包括在成套器具中。控制系统可监控来自运载工具操作员的 推进要求并可控制混合轴和推进轴的推进作用力以使得轴的组合的推进作用力大致满足 该推进要求。可选地，控制系统可通过优选地首先使用混合轴推进作用力来满足推进要求。使 用混合轴来满足推进要求时的任何不足额(deficiency)可利用额外的推进作用力的供应 (使用推进轴)来补足。并且，成套器具可包括传感器阵列，用于监控能量储存装置的一种 或多种特性并用于将该一种或多种特性的信息传递给控制系统。控制系统可基于该信息而 控制组合推进作用力的分配。提供了一种方法，该方法包括通过在第一、较低的电压下从能量储存装置向第二 电马达供电而在第一、较慢的速度及高扭矩下推进电驱动式运载工具；以及，通过在第二、 较高的电压下从发动机驱动式交流发电机向第一电马达供电而在第二、较快的速度及中等 的扭矩下推进该运载工具。在一个实施例中，该方法还可包括通过在第二电马达的制动运行模式期间将机械 能转化成电能而将能量储存装置充电。可选择使用这样一种运行模式——在该运行模式 中，相对于别的运行模式而言(在该运行模式中，来自原动机的功率与自一个或多个能量 储存装置而被供应的能量相组合)，比全额的更大的原动功率推进该运载工具。备选地，可 选择这样一种运行模式——在该运行模式中，供应至一个或多个牵引马达的所有推进功率 为供应自一个或多个能量储存装置的能量。提供了另一种运行模式，在该运行模式中，供应 至一个牵引马达的所有推进功率为供应自一个或多个能量储存装置的能量，并且在该运行 模式中，供应至另一牵引马达的所有推进功率为供应自交流发电机的能量。该方法可包括基于涉及运载工具速度、运载工具效率、运载工具轮扭矩或功率需 求等的至少一个准则而在串联配置与并联配置之间往复地切换电池的布置。并且，可通过 在第三牵引驱动系统及相关联的第三电马达的制动运行模式期间将机械能转化成电能而 对能量储存装置进行充电。这样的扭矩指令可被提供给第一电马达，该扭矩指令极性相反 于提供给第二电马达的扭矩指令。这样，可在没有直接电气连接的情况下由发动机/交流 发电机对能量储存装置进行充电。根据本发明的实施例的另一种方法可包括启动要求一定量的需求制动功率的制 动事件。第一可用制动功率可基于由以下者中的至少一个所确定的部件限制因素而被确 定电马达的功率容量、能量储存装置的电气吸收容量、电子变换器的电气额定容量、或功 率开关的电气额定容量；并且，将第一可用制动功率与需求制动功率作比较。可首先以第一 可用制动功率来供应需求制动功率。在需要时，可利用第二可用制动功率对第一可用制动功率进行补充。第二可用制动功率至少基于联接到其上的动力制动栅电阻器阵列的容量。 可选地，能量储存装置可包括能量型电池和功率型电池，该功率型电池相比于能量储存电 池具有相对更快的能量吸收。以再生的方式被捕获的能量可在被定向至或不被定向至能量 型电池的情况下被定向至功率装置。自此出发，能量可以能量型电池可处理的吸收速率而 被从功率型电池馈送至能量型电池。在一个实施例中，电活性(electrical activity)监控器可联接至能量储存装置。 电活性监控器可阻止对具有足够高以致会伤害与之接触的人员的电压的电气部件的接近。 电活性监控器可向靠近电气部件的人员指明该电气部件呈电活性。或者，电活性监控器可 执行多种与安全相关的任务，例如该阻止和该电活性指示。尽管利用某些对机车的参考而给出了实例，但是，推进系统在其它运载工具类型 中同样可为有益的。其它合适的运载工具可包括客车；中型或轻型的货车和卡车；公共汽 车和重型卡车及施工设备；越野车(OHV)；以及舟艇、船舶和潜水艇。本文所描述的实施例是具有与在权利要求中叙述的发明的要素相对应的要素的 组成、结构、系统和方法的实例。该书面描述可使本领域普通技术人员能够制造及使用具有 同样对应于在权利要求中叙述的发明的要素的备选要素的实施例。因此，本发明的范围包 括与权利要求的文字语言没有区别的组成、结构、系统和方法，并且还包括与权利要求的文 字语言有非实质区别的其它的结构、系统和方法。尽管本文仅显示及描述了一定的特征和 实施例，但是，相关领域的普通技术人员可想到许多变更和变化。所附的权利要求涵盖所有 这些变更和变化。
权利要求
一种用于改装电推进式运载工具的系统，该电推进式运载工具具有发动机驱动式发电机，以及联接至所述发电机的至少第一牵引马达，以及第二牵引马达，该系统包括控制系统，该控制系统可运行，以控制推进功率在所述第一牵引马达与所述第二牵引马达之间的分配；以及能量储存装置，该能量储存装置能够联接至至少所述第二牵引马达。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电推进式运载工具为机车。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括联接至所述发电机的柴 油发动机。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一牵引马达和所述第二牵引马达 为多个牵引马达中的一部分。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置包括高温电池，该高温 电池在从约260摄氏度至约450摄氏度的范围中的温度下运行。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置为金属卤化物电池。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置包括锂电池、镍金属氢 化物电池、飞轮或超级电容器中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置通过二极管、接触器、 手动切断开关或硅可控整流器中的至少一个而联接至所述第二牵引马达。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，通过将所述第二牵引马达单独地或与所 述第一牵引马达组合地加以使用，所述控制系统可运行，以在相对地较低的速度下、在相对 地较高的扭矩下、或者在相对地较高的扭矩和较低的速度两者下控制所述运载工具，并且， 通过使用至少所述第一牵引马达，所述控制系统可运行，以在中等的扭矩下或在高扭矩下 控制所述运载工具。
10.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一能量储存装置具有第一部分和 第二部分，且所述第一部分和所述第二部分可自第一运行模式和第二运行模式而被切换， 在该第一运行模式中，所述第一部分和所述第二部分并联地电连接，在该第二运行模式中， 所述第一部分和所述第二部分串联地电连接。
11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括温度控制系统，该温度 控制系统能够影响所述能量储存装置中的温度。
12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置包括第一部分和第 二部分，这两部分均设置在公共壳体中，并且，所述公共壳体与所述温度控制系统处于操作 上的关联中。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述温度控制系统包括至少一个温度 传感器、至少一个温度控制装置、以及解冻控制器，该解冻控制器与所述传感器相通并控制 热源以改变或维持所述公共壳体内的环境。
14.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述能量储存装置包括第一部分和第 二部分，并且所述第一部分和所述第二部分设置在相应的第一壳体和第二壳体中，并且，所 述第一壳体和所述第二壳体中的每个与所述温度控制系统处于操作上的关联中。
15.根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述温度控制系统在所述第一壳体和 所述第二壳体中的每个中包括至少一个温度传感器，在所述第一壳体和所述第二壳体中的每个中包括至少一个热源，并且包括解冻控制器，该解冻控制器与各传感器相通并控制各 热源以改变或维持所述第一壳体和所述第二壳体中至少相应的一个壳体内的环境。
16.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述解冻控制器可运行以用于通过控 制所述热源而启动解冻过程，以便基于确定的热量斜坡率而使局部环境温度提高直到运行 温度范围并处于运行温度范围内。
17.根据权利要求15所述的系统，其特征在于，所述解冻控制器可运行以用于启动冷 却过程以控制所述热源，以便使局部环境温度降低直到运行温度范围并处于运行温度范围 内。
18.—种运载工具，其包括根据权利要求1所述的系统。
19.根据权利要求18所述的运载工具，其特征在于，所述控制系统还可运行以用于 启动制动事件，该制动事件要求用于运载工具的一定量的需求制动功率，该运载工具具有能够对轮进行驱动的电马达，并具有能量储存装置，电转换器，以及联接至所述电马达 的功率开关；基于由下列者中的至少一个所确定的部件限制因素确定第一可用制动功率 所述电马达的功率容量， 所述电马达的扭矩容量， 在轮支撑表面上所述轮的最大粘着极限， 所述能量储存装置的电气吸收容量， 所述电子转换器的电气额定容量，或 所述功率开关的电气额定容量；并且 将所述第一可用制动功率与所述需求制动功率作比较； 首先利用所述第一可用制动功率来满足所述需求制动功率；并且 在所述第一可用制动功率不足以满足所述需求制动功率的情况下，利用第二可用制动 功率补充所述第一可用制动功率，并且，所述第二可用制动功率至少基于联接到其上的动 力制动栅电阻器阵列的容量。
20.根据权利要求18所述的运载工具，其特征在于，通过在第一、较低的电压下从所 述能量储存装置向所述第一牵引马达供电，所述控制系统还可运行以启动所述第一牵引马 达，以便在第一、较慢的速度及高的扭矩下推进所述电驱动式运载工具；并且，通过在第二、 较高的电压下从发动机驱动式发电机向所述第二牵引马达供电，所述控制系统还可运行以 启动所述第二牵引马达，以便在第二、较快的速度及中等的扭矩下推进所述运载工具。
21.根据权利要求18所述的运载工具，其特征还在于，所述控制系统还可运行以对包 含所述第二牵引马达和所述能量储存装置的第二牵引驱动系统中的部件故障进行监控；并 且，所述控制系统还可运行以通过将能量定向成至所述第二牵弓I马达并从所述第二牵弓I马达至第二能量储存装置，或者 将能量定向成至所述能量储存装置并从所述能量储存装置至所述第二牵引马达之外 的牵引马达而对所述第二牵引驱动系统的部件故障指示作响应。
22.—种改装运载工具的方法，该运载工具具有发动机驱动式发电机，以及至少两个联 接至所述发电机的牵引马达，所述方法包括使所述牵引马达中的至少一个与所述发电机脱离联接，以提供第一脱离联接的牵引马 达；以及使所述第一脱离联接的牵引马达联接至能量储存装置。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述运载工具的控 制系统置于操作上的接触中，以使得所述控制系统在重新联接之后与至少所述第一脱离联 接的牵引马达相通。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，所述方法还包括给所述控制系统增加 进和出(I/O)数据通道，以监控与所述能量储存装置相关联的至少一种机能。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法还包括监控选自包括温度、电 压和荷电状态的组的、与所述能量储存装置相关联的至少一种机能。
26.一种用于运载工具的改装系统，该运载工具具有热机、联接至所述热机的发电机， 以及联接至所述发电机的至少两个牵引马达，该改装系统包括用于使所述牵引马达中的至少一个与所述发电机脱离联接以提供第一脱离联接的牵 引马达的器件；以及用于使所述第一脱离联接的牵引马达联接至能量储存装置的器件。
27.一种用于改装发动机推进式运载工具的成套器具，该发动机推进式运载工具具有 至少一个联接至所述发动机的推进轴和至少一个不联接至所述发动机的非推进轴，该成套 器具包括牵引马达，该牵引马达构造成联接至所述运载工具的所述非推进轴；能量储存装置，该能量储存装置能够联接至所述牵引马达，以限定混合轴，并且其中， 所述能量储存装置能够向所述牵引马达供应能量，并且还能够接收由所述牵引马达产生的 能量；以及控制系统，该控制系统可运行以监控来自所述运载工具的操作员的推进要求，并且可 运行以控制所述推进轴和所述混合轴的推进作用力，以使它们的组合推进作用力大致满足 所述推进要求。
28.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述控制系统还可运行以用于优 选地使用混合轴推进作用力来满足所述推进要求，并用于使用所述推进轴而利用额外的推 进作用力来填补使用所述混合轴来满足所述推进要求时的任何不足额。
29.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述成套器具还包括传感器阵列， 该传感器阵列能够监控所述能量储存装置的一种或多种特性，并且能够将该一种或多种特 性的信息传递给所述控制系统，其中，所述控制系统可运行以基于所述信息而控制所述组 合推进作用力的分配。
30.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述运载工具为机车。
31.根据权利要求30所述的成套器具，其特征在于，所述发动机联接至发电机，该发电 机可在从约800伏至约1500伏的范围中的电压下供应能量，并且，所述成套器具还包括额 外的电子部件，该电子部件额定为用于在从约800伏至约1500伏的范围中的电压下使用。
32.根据权利要求30所述的成套器具，其特征在于，所述发动机联接至发电机，该发电 机可在从约1500伏至约3000伏的范围中的电压下供应能量，并且，所述成套器具还包括额 外的电子部件，该电子部件额定为用于在从约1500伏至约3000伏的范围中的电压下使用。
33.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述运载工具为水上运载工具。
34.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述运载工具为越野车。
35.根据权利要求27所述的成套器具，其特征在于，所述成套器具还包括电活性监控 器，该电活性监控器联接至所述能量储存装置并且可运行以用于阻止对具有足够高以致会 伤害与之接触的人员的电压的电气部件的接近、以用于向靠近电气部件的人员指明所述电 气部件呈电活性、或者用于既进行阻止又进行电活性指示。
全文摘要
提供了一种系统以用于改装电推进式运载工具。该运载工具具有发动机驱动式发电机(114)，以及联接至发电机(114)的至少第一牵引马达(120)和第二牵引马达(136)。该系统包括能量储存装置(132)，该能量储存装置(132)能够联接至至少该第一牵引马达(120)；以及控制系统，该控制系统可运行以控制推进功率在第一牵引马达(120)与第二牵引马达(136)之间的分配。还提供了相关联的方法和改装成套器具。
文档编号B60L11/12GK101808844SQ200880023461
公开日2010年8月18日 申请日期2008年4月10日 优先权日2007年5月7日
发明者A·K·库马, L·萨拉苏, R·D·金 申请人:通用电气公司